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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Röntgenröhren, insbesondere Röntgenröhren-Kathodenköpfe und mehr noch einfach einzurichtende Röntgen-Kathodenköpfe. Spezifisch bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Röntgen-Kathodenköpfe, wobei beim Zusammensetzen der Extraktionsschlitz, der Fokussierungstopf und das Filament selbstausrichtend sind. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf Röntgenröhren-Vorrichtungen, die ein Röntgen-Kathodenkopf entsprechend der vorliegenden Erfindung umfassen.
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Hintergrund der Erfindung
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Röntgenröhren werden in vielen unterschiedlichen industriellen und medizinischen Vorrichtungen verwendet. Insbesondere bilden sie einen wesentlichen Teil von Röntgenröhren-Vorrichtungen, welche für medizinische Zwecke zur Patienten-Bildgebung eingesetzt werden. Herkömmlicherweise umfassen derartige Vorrichtungen einen elektronerzeugenden Teil, bezeichnet als Kathodenkopf oder -anordnung, und einen röntgenerzeugenden Teil, bezeichnet als Anode oder Target. Im Betrieb werden die von der Kathode erzeugten Elektronen durch ein hohes elektrisches Feld in Richtung Anode beschleunigt, auf welche sie schliesslich auftreffen. Der Verlust der kinetischen Energie der Elektronen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit den Atomen des Anodenmaterials resultiert in der Erzeugung von Röntgenstrahlung.
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Die wichtigsten Parameter in Röntgenröhren-Vorrichtungen für medizinische Bildgebungsanwendungen sind der erzeugte Röntgenfluss und die Grösse der virtuellen Röntgenquelle. Idealerweise möchte man einen sehr hohen Fluss erzielen, der eine sehr kurze Zeit erlaubt, in der der Patient potentiell schädlicher Röntgenstrahlung ausgesetzt ist, während eine sehr kleine virtuelle Quellengrösse beibehalten wird. Beides führt zu einer gesteigerten Auflösung in der Röntgenbildgebung. Es ist jedoch schwierig, beide Parameter gleichzeitig zu verbessern. Da die Anzahl der an der Anode erzeugten Röntgenstrahlen direkt proportional zu der Anzahl der erzeugten auf sie auftreffenden Elektronen ist, besteht der einfachste Weg zur Erhöhung der Anzahl der erzeugten Röntgenstrahlen darin, die Anzahl der an der Kathode erzeugten Elektronen zu erhöhen.
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Aufgrund des als Coulomb Blockade bekannten Phänomens kann die Anzahl der pro Flächenbereich des Kathodenfilaments erzeugten Elektronen nicht beliebig gesteigert werden. Dies impliziert, dass normalerweise eine erweiterte Elektronenquelle erforderlich ist, um eine grosse Anzahl an emittierten Elektronen zu erhalten. Wenn sich die Elektronen jedoch frei zwischen der Kathode und der Anode ausbreiten können, würde ein Filament grosser Grösse eine grosse Elektronen-Auftrefffläche an der Anode und folglich eine grosse Quelle der Röntgenstrahlung implizieren. Um die Grösse der Elektronenauftrefffläche zu reduzieren, platziert man herkömmlicherweise zwischen der Kathode und der Anode oder hinter dem Filament ein Fokussierungselement, welches den Zweck hat, die Elektronen auf die Anode zu fokussieren und die Grösse der Quelle der Röntgenstrahlung zu reduzieren.
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Eine bekannte Gestaltung von Röntgenröhren-Kathodenköpfen besteht aus Elektronenquelle und einen Fokussierungstopf als ein Fokussierungselement. Üblicherweise wird ein Metall mit einem Schmelzpunkt bei hohen Temperaturen für das Filament verwendet, beispielsweise Wolfram. Dies erlaubt es, hohe Temperaturen und konsequenterweise eine hohe Ausbeute an thermisch erzeugten Elektronen zu erzielen, ohne dass sich das Filaments deformiert oder seine relative Position in Richtung Fokussierungstopf verschiebt. Letzterer besteht aus einer Platte mit einer halbkugelförmigen Vertiefung, deren Grösse und Form zu der Grösse und Form des Filaments korrespondiert. Im Betrieb wird der Fokussierungstopf auf einem niedrigeren Potential bezogen auf die Anode gehalten. Aufgrund der Halbkugelform des Fokussierungstopfes, welcher nahe zu dem Filament angeordnet ist, wirkt ein elektrisches Feld auf die Elektronen, welches den Elektronenstrahl in Richtung der Anode kollimiert. Unvorteilhafterweise ist es schwierig, mit dieser Art von Kathodengeometrie einen bedeutenden Fokussiereffekt und eine kleine Grösse der Röntgenquelle zu erzielen. Daher integrieren neuere Kathodenanordnungen zwei getrennte Filamente in einem Kathodenkopf, ein grosses und ein kleines, wobei das grosse eingesetzt wird, wenn ein hoher Fluss der Röntgenstrahlen gewünscht ist und das kleine, wenn höchste Auflösung gefordert ist.
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Ein weiterer Nachteil des oben dargestellten Kathodenkopf-Typs ist dadurch gegeben, um einen Fokussierungseffekt zu erreichen, die halbkugelförmigen Vertiefung des Fokussierungstopfes sehr präzise gefertigt sein muss. Die Vertiefung wird normalerweise erodiert, welches ein sehr teures und zeitaufwendiges Verfahren ist. Eine nicht perfekt erzeugte Vertiefung in einer derartigen Kathodenanordnung würde durch störende Streufelder zu einer grösseren Ausbreitung führen als zu einer Fokussierung der Elektronen. Des Weiteren muss das Filament in Bezug zu dem Fokussierungstopf sehr präzise positioniert werden. Eine Verschiebung des Filaments in Richtung des Fokussierungstopfes würde wiederum zu einer grossen Elektronenauftrefffläche an der Anode führen. Einrichten und Aufrechthalten der gewünschten Ausrichtung zwischen dem Filament und dem Fokussierungstopf können beim Zusammensetzen der Komponenten und während der Montage des Kathodenkopfes in die Röntgenröhrenvorrichtung herausfordernd sein. Darüber hinaus soll die Relativposition zwischen Fokussierungstopf und Filament während der Lebensdauer des Kathodenkopfes konstant gehalten werden; insbesondere sollte sie sich nicht mit wiederholenden Erwärmungs- und Abkühlungszyklen des Filaments ändern.
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Demnach ist es Ziel der vorliegenden Erfindung ein neues Röntgen-Kathodenkopf-Design vorzusehen, dank dem die Ausrichtung des Filaments mit dem Fokussierungstopf vereinfacht ist. Insbesondere ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Röntgen-Kathodenkopf vorzuschlagen, in dem Filament und Fokussierungstopf selbstausrichtend während des Aufbaus sind. Mit einem Röntgen-Kathodenkopf gemäss der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine einfach zu installierende Kathode mit einem hohen Elektronenfluss und einer kleinen Elektronenauftrefffläche auf der Anode zu erhalten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen neuen Röntgen-Kathodenkopf vorzuschlagen, mit dem die oben genannten Nachteile der bekannten Systeme vollständig überwunden oder zumindest weitgehend reduziert werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, einen Röntgen-Kathodenkopf vorzuschlagen, dessen Aufbau und insbesondere die Ausrichtung des Filaments mit dem Fokussierungstopf und mit dem Extraktionsschlitz vereinfacht ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch eine Röntgenröhren-Vorrichtung, welche einen Röntgen-Kathodenkopf gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben insbesondere durch die Elemente der zwei unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Insbesondere werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch einen Röntgen-Kathodenkopf gelöst, umfassend:
- ■ ein Filament, welches von einem Filamenttträgerteil getragen ist; und
- ■ einen Fokussierungstopf mit einem Extraktionsschlitz, welcher in seinem Zentrum integriert ist;
wobei beim Zusammenbau des Fokussierungstopfes mit dem Filamentträgerteil das Filament und der Extraktionsschlitz translatorisch und rotatorisch selbstausrichtend sind, wobei sich eine Ausrichtung der kurzen als auch der langen Achsen des Filaments und des Extraktionsschlitzes ergibt.
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Dank der vorliegenden Erfindung ist der Zusammenbau des Röntgen-Kathodenkopfes besonders einfach, wobei eine gute Ausrichtung des Filaments und des Extraktionsschlitzes und folglich des Fokussierungstopfes ermöglicht wird. Das Filament, welches an dem Trägerteil vorab ausgerichtet ist, ist beim Zusammenbau selbstausrichtend mit dem Extraktionsschlitz. Dies kann durch Mittel erzielt werden, welche einem Fachmann bekannt sind, beispielsweise dadurch, dass Ausrichtungsmarkierungen an dem Fokussierungstopf und an dem Filamentträgerteil verwendet werden. Es ist daher nicht erforderlich, das Filament nach dem Zusammenbau in Bezug auf den Extraktionsschlitz und den Fokussierbecher auszurichten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fokussierungstopf an einer dem Filament gegenüberliegenden Seite eine erste Kavität, die als ein erstes Elektronenfokussierungselement wirkt. Während des Einsatzes kann eine geeignete Spannung an den Fokussierungstopf angelegt werden, wobei die Spannung einen Fokussierungseffekt auf die Elektronen hat, die von dem Filament emittieren und durch das hohe elektrische Feld zwischen Filament und Target durch den Spalt beschleunigen. Dank dieses Fokussierungseffekts kann die Grösse der Elektronenauftrefffläche auf dem Target reduziert werden, wobei die Leistung der Röntgenröhren-Vorrichtung erhöht wird, in welche Röntgen-Kathodenköpfe gemäss der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Fokussierungstopf eine zweite Kavität, welche das Filament umgibt und welche als ein zweites Elektronenfokussierelement wirkt. Dank der Anwesenheit dieser Kavität kann der Elektronenfluss, welcher durch den Extraktionsschlitz extrahiert werden kann und damit der Elektronenfluss, welcher auf dem Target auftrifft, gesteigert werden, wodurch die Leistung der Röntgen-Vorrichtung verbessert wird, in welche Röntgen-Kathodenköpfe gemäss der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind. Die Elektronen, welche von dem Filament in einer Richtung emittieren, welche eine andere als die Richtung des Extraktionsschlitzes ist, können in Richtung Schlitz durch die am Fokussierungstopf anliegende Spannung umgelenkt werden. Ein Fachmann würde verstehen, das eine Simulation durchgeführt werden könnte, um die optimale Form und Grösse der Kavität zu ermitteln, um den durch den Extraktionsschlitz tretenden Elektronenfluss in Abhängigkeit von der Form und Grösse des Filaments, des Schlitzes und aufgrund anderer relevanter geometrischer Parameter des Kathodenkopfes zu maximieren.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Breite des Extraktionsschlitzes kleiner als die Breite des Filaments. Dies entspannt die Bedingung der Ausrichtung des Filaments mit der Kavität des Fokussierungstopfes, welches als erstes Fokussierungselement wirkt. Der Schlitz reduziert die Grösse der virtuellen Elektronenquelle in der Richtung der kleinen Achse des Extraktionsschlitzes und ein kleiner Ausrichtungsfehler des Filaments mit dem Fokussierungstopf in dieser Richtung spielt für die Leistungen des Röntgen-Kathodenkopfes keine wichtige Rolle.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Länge des Extraktionsschlitzes kleiner als die Länge des Filaments. Dies entspannt weiter die Bedingung der Ausrichtung des Filaments mit der Kavität des Fokussierungstopfes, welche als erstes Fokussierungselement wirkt. Der Schlitz reduziert die Grösse der virtuelle Elektronenquelle in der Richtung der langen Achse des Extraktionsschlitzes und ein kleiner Ausrichtungsfehler des Filaments mit dem Fokussierungstopf in der Richtung spielt für die Leistungen des Röntgen-Kathodenkopfs keine wichtige Rolle.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der Fokussierungstopf und der Filamentträger miteinander durch Kleben verbunden. Dies stellt eine sehr einfache Möglichkeit dar, um beide Teile zusammenzuhalten und vereinfacht den Zusammenbau des Röntgen-Kathodenkopfs gemäss der vorliegenden Erfindung.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der Fokussierungstopf und der Filamentträger miteinander durch Löten verbunden. Dies stellt eine weitere einfache Möglichkeit bereit, um beide Teil zusammenzuhalten und vereinfacht den Zusammenbau des Röntgen-Kathodenkopfes gemäss der vorliegenden Erfindung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Filament ein Spulenfilament. Spulenfilamente haben den Vorteil, dass das Verhältnis des Flächenbereichs, von dem Elektronen emittiert werden können, zu der Länge des Filaments maximiert ist, während nur ein relativ kleiner Wert an Heizstrom zum Selbsterhitzen der Spulenwindungen erforderlich ist. Demnach kann auch der Elektronenfluss maximiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Filament ein Streifenfilament. Ein Streifenfilament hat den Vorteil, dass es einfach auf dem Filamentträgerteil vorab ausgerichtet werden kann und dass die Elektronen nur von den oberen und unteren Flächen des Filaments emittiert werden. Dies erlaubt es, eine kleinere virtuelle Elektronenquelle zu haben, welches schliesslich die Leistungen des Röntgen-Kathodenkopfes steigert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Extraktionsschlitz mechanisch gefräst. Demnach ist die Bearbeitung des Fokussierungstopfes für einen Fachmann einfach und die Gesamtkosten zur Fertigung der Röntgen-Kathode können reduziert werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform haben die Enden des Extraktionsschlitzes die Form eines Abschnitts eines Kreises. Diese Schlitzgeometrie hat den Vorteil, das elektrische Störfelder unterdrückt werden, welche ansonsten an scharfen Kanten des Extraktionsschlitzes gebildet werden könnten.
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Ziele der vorliegenden Erfindung werden auch erreicht durch eine Röntgenröhren-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen Röntgen-Kathodenkopf gemäss der vorliegenden Erfindung. Beim Einsatz eines Röntgen-Kathodenkopfes gemäss der vorliegenden Erfindung, werden die Leistungen der Röntgenröhren-Vorrichtung verbessert und der Zusammenbau der Vorrichtung ist vereinfacht.
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Figurenliste
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- Figure 1 ist eine perspektivische Schnittansicht entlang der kurzen Achse des Extraktionsschlitzes einer bevorzugten Ausführungsform eines Röntgen-Kathodenkopfes gemäss der vorliegenden Erfindung.
- Figure 2 ist eine Schnittansicht entlang der langen Achse des Extraktionsschlitzes einer bevorzugten Ausführungsform eines Röntgen-Kathodenkopfs der vorliegenden Erfindung.
- Figure 3 ist eine Schnittansicht entlang der kurzen Achse des Extraktionsschlitzes einer bevorzugten Ausführungsform eines Röntgen-Kathodenkopf gemäss der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht entlang der kurzen Achse des Extraktionsschlitzes einer bevorzugten Ausführungsform eines Röntgen-Kathodenkopfs gemäss der vorliegenden Erfindung. Der Röntgen-Kathodenkopf 1 umfasst einen Fokussierungstopf 2 mit einem Extraktionsschlitz 3 in seiner Mitte und ein Filament 5, das durch ein Filamentträgerteil 4 getragen und entlang der Linie, welche die Löcher 5' verbindet, vorab ausgerichtet ist. Um die Ausrichtung des Filaments 5 auf dem Trägerteil 4 zu vereinfachen, können Führungslinien (hier nicht gezeigt) auf der Fläche des Trägerteils 4 ergänzt werden.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist das Filament 5 ein Spulenfilament, könnte aber auch ein flacher Streifen oder eine geeignete Filamentform sein. In jedem Fall ist ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer hohen Schmelztemperatur und einem hohen elektrischen Widerstand, beispielsweise Wolfram, bevorzugt. Um die Austrittsarbeit des Filaments 5 zu reduzieren, kann dieses zusätzlich mit einem Material mit niedriger Austrittsfunktion, wie zum Beispiel ein Alkalimetall, beschichtet sein oder aus einer speziellen Legierung mit optimierter Austrittsarbeit gefertigt sein (wie thoriertes Wolfram).
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Der Filamentträgerteil 4 ist aus einem Isolationsmaterial gefertigt, welches mit einer Vakuumumgebung kompartibel ist, beispielsweise aber nicht ausschliesslich beschränkt auf Torlon, Keramik oder PEEK. Das Filament 5 ist mit Kontakten 6 verbunden, welche mittels geeigneter Mittel, beispielsweise durch Kleben, an dem Filamentträgerteil 4 befestigt sind. Die Kontakte 6 sind aus einem Metall mit niedrigem elektrischen Widerstand oder einer Metalllegierung mit niedrigem elektrischen Widerstand gefertigt, beispielsweise aber nicht ausschliesslich Kupfer, Aluminium, Nickel, Eisen-Nickel-KobaltLegierung oder Beryllium-Kupfer. Die Kontakte 6 werden eingesetzt, um die elektrische Potentialdifferenz über dem Filament anzulegen, welche schliesslich zu einem elektrischen Strom und einer erhöhten Temperatur des Filaments und letztlich zu einer Emission thermionischer Elektronen führt.
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Der Fokussierungstopf 2 umfasst eine erste Kavität 2' an einer dem Filament 5 gegenüberliegenden Seite. Während dem Einsatz des Röntgen-Kathodenkopfes 1 wird der divergente Elektronenstrahl durch thermionische Emission aus dem Filament 5 extrahiert und durch den Extraktionsschlitz 3 mittels eines grossen elektrischen Feldes zwischen dem Filament 5 und einem Target (nicht dargestellt) beschleunigt, und kann durch eine geeignete Spannung V an dem Fokussierungstopf 2 kollimiert und auf das Target fokussiert werden. Die Kavität 2' wirkt dabei als ein erstes Fokussierungselement. Es ist zu beachten, dass der Röntgen-Kathodenkopf 1 entweder in einem Modus eingesetzt wird kann, in dem das Filament auf einer hohen negativen Spannung und das Target auf Erdungspotential gehalten sind oder in einem Modus, in dem das Filament auf einem Potential nahe der Erdung und das Target auf einem hohen positiven Potential gehalten sind. Um Streufelder zu vermeiden, die zu einer Verringerung der Leistung des Röntgen-Kathodenkopfes 1 führen können, sind die Kanten 2" der Kavität 2' abgerundet, wie in 1 dargestellt.
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Der Fokussierungstopf 2 umfasst des Weiteren eine zweite Kavität 3' an der Seite des Filaments 5. Nach Zusammenbau des Röntgen-Kathodenkopfs 1, umgibt die Kavität 3' das Filament 5 und wirkt als ein zweites Fokussierungselement für die thermionisch emittierten Elektronen. Der Fachmann würde verstehen, dass durch Simulation die optimale Form und Grösse der Kavität 3' bestimmbar ist.
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Um die höchste Leistung des Röntgen-Kathodenkopfs 1 in Hinsicht der minimalen Elektronenauftrefffläche auf dem Target zu erreichen, ist eine perfekte Ausrichtung des Filaments 5 mit dem Extraktionsschlitz 3 und konsequenterweise mit beiden Kavitäten 2' und 3' essentiell. Gemäss der vorliegenden Erfindung sind der Extraktionsschlitz 3 und das Filament 5 durch den Zusammenbau des Fokussierungstopfes 2 mit dem Filamentträgerteil 4 selbstausrichtend. Die Selbstausrichtung kann durch dem Fachmann bekannte Mittel erreicht werden, beispielsweise mittels Einsatz von Ausrichtungsmarkierungen an dem Fokussierungstopf 2 und auf dem Filamentträgerteil 4. Das Filament 5 und der Extraktionsschlitz 3 sind nach Zusammenbau translatorisch und rotatorisch sowohl mit den langen Achsen als auch den kurzen Achsen ausgerichtet.
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2 und 3 sind Schnittansichten der bevorzugten Ausführungsform des Röntgen-Kathodenkopfs 1. Wie in diesen Figuren gezeigt, ist die Breite W3 des Extraktionsschlitzes 3 vorzugsweise kleiner gewählt als die Breite W5 des Filaments 5. Mit einem schmaleren Schlitz 3 als das Filament 5 ist die Leistung des Röntgen-Kathodenkopfs 1 weiter verbessert, da Schlitz 3 die Grösse der virtuellen Elektronenquelle verringert und folglich die Leistung des Röntgen-Kathodenkopfs 1 erhöht. Es gibt eine Abwägung zwischen der Grösse der Elektronenauftrefffläche auf dem Target und dem Elektronenstrom, welcher auf diesem auftrifft. Durch Reduzieren der Breite des Schlitzes 3 ist eine kleinere Elektronenauftrefffläche auf dem Target möglich, dies reduziert auch den auftreffenden Elektronenstrom. Demnach muss eine optimale Schlitzbreite gemäss dem spezifischen Einsatz des Röntgen-Kathodenkopfs bestimmt werden. Um störende elektrische Streufelder zu vermeiden, welche die Leistung des Röntgen-Kathodenkopfs verringern würden, sind die Enden des Extraktionsschlitze in der Form eines Abschnitts eines Kreises. Während in 1 bis 3 die Länge L3 des Extraktionsschlitzes 3 grösser als die Länge L5 des Filaments 5 gewählt ist, würde ein Fachmann versehen, dass die Grösse der virtuellen Elektronenquelle weiter dadurch verringerbar ist, dass eine Länge L3 des Extraktionsschlitzes kleiner als die Länge L5 des Filaments gewählt wird.
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Wie in 1 bis 3 ersichtlich, ist nach Zusammenbau ein Raum mit Höhe H2 zwischen dem Fokussierungstopf 2 und dem Trägerteil 4 kreiert. Ausgehend von einem Vakuumtechnischen Betrachtungspunkt, ist dies vorteilhaft, da es besser ist, zwei benachbarte Flächen zu trennen, als diese in Kontakt zu halten, da andererseits virtuelle Lecks erzeugt werden könnten. Der Raum zwischen dem Trägerteil 4 und dem Fokussierungstopf 2 kann zweckmässigerweise durch den Schlitz 3 durch geeignete Mittel während des Evakuierens einer Röntgenröhre, welche einen Röntgen-Kathodenkopf gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst, evakuiert werden.
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Schussendlich sollte darauf hingewiesen werden, dass das Vorhergehende als ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen des offenbarten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels möglich sind, ohne von dem Sinn und dem Umfang abzuweichen. Demnach sollte das beschriebene nicht einschränkende Ausführungsbeispiel lediglich als erläuternd für einige der bekannteren Merkmale und Anwendungen angesehen werden. Andere vorteilhafte Resultate können durch Anwendung der nichteinschränkenden Ausführungsbeispiele in unterschiedlicher Weise oder ihrer Modifizierung in für einen Fachmann bekannten Weise realisiert werden.
